Comment la recharge rapide transforme le paysage de la recharge des véhicules électriques

La recharge rapide en courant continu des véhicules électriques (VE) pourrait être essentielle pour atténuer l’anxiété liée à l’autonomie qui, selon beaucoup, limite l’adoption des véhicules électriques. Grâce à une infrastructure de recharge robuste qui permet de recharger la batterie en 20 minutes au lieu de 4 heures, la recharge des véhicules électriques se rapproche beaucoup plus de l'expérience à laquelle les conducteurs sont habitués lorsqu'ils font le plein d'un véhicule à moteur à combustion interne (ICE).

Cette infrastructure n’est pas encore pleinement développée aujourd’hui, mais elle se développe et devient accessible à davantage de véhicules. Plusieurs fabricants de véhicules électriques ont récemment adopté le connecteur de charge Tesla EV et Tesla est actuellement leader sur le marché du déploiement de ports de charge rapide. Une étude commandée par Sensience prévoit que la recharge rapide en courant continu représentera plus de 70 % de la recharge publique dans le monde d'ici 2030 (Figure 1).

Figure 1. Croissance projetée de la recharge rapide CC d’ici 2030. (Image :Sensience)

Si la recharge rapide pourrait débloquer la croissance du marché des véhicules électriques, elle place également la barre plus haut en matière de gestion thermique tout au long de la chaîne de recharge des véhicules électriques. Les chargeurs rapides CC produisent entre 50 et 350 kW de puissance, contre 7 à 19 kW typiques pour les chargeurs de niveau 2. Même aux tensions plus élevées courantes avec les chargeurs rapides CC, ces ports génèrent beaucoup plus de chaleur que les ports de charge de niveau 2. Une gestion thermique efficace devient donc plus critique que jamais pour éviter les températures qui peuvent réduire la durée de vie de la batterie, réduire l'efficacité de la charge et introduire des risques pour la sécurité.

Un élément d'une gestion thermique efficace qui est parfois négligé jusque tard dans le processus de conception est la spécification des capteurs de température qui permettent aux systèmes de gestion de batterie et de véhicule de réagir rapidement et intelligemment aux changements de température tout au long de la chaîne de charge du véhicule.

Le rôle des capteurs de température dans la chaîne de recharge des véhicules électriques

Des capteurs sont utilisés tout au long de la chaîne de charge. L’application la plus évidente concerne la batterie elle-même, où la gestion thermique est la priorité absolue. L'emplacement du capteur dans la batterie sera déterminé par la conception et la taille de la batterie, mais un seul capteur s'avérera généralement inadéquat car il risque de ne pas détecter les zones chaudes susceptibles de se développer dans les cellules ou les modules lors d'une charge rapide. Idéalement, vous souhaitez pouvoir surveiller directement les températures des cellules de la batterie à plusieurs endroits et comprendre la répartition de la chaleur au sein de l'ensemble du pack.

Le chargeur embarqué représente un environnement plus simple mais néanmoins critique pour les capteurs de température, car la surveillance des capteurs déclenche les systèmes de refroidissement nécessaires à la gestion de la chaleur lors d'une charge rapide. Comme il y a moins de variabilité de température à travers le composant, moins de capteurs sont nécessaires.

Le port de chargement du véhicule est une autre application importante pour les capteurs de température dans la chaîne de chargement. Des capteurs de température sont utilisés à la fois dans l’entrée de charge du véhicule ainsi que dans le pistolet de charge pour surveiller les températures des broches électriques. Ce retour d'information fournit un arrêt de sécurité en cas de phénomène involontaire causé par des dommages ou une contamination sur les broches. Lors d'une charge rapide, les températures peuvent être les plus élevées à l'entrée de charge, et une attention particulière doit être accordée aux spécifications des capteurs utilisés dans cette application.

Les capteurs intégrés au système de refroidissement qui protègent la batterie, le chargeur intégré et l’électronique de puissance de la surchauffe sont tout aussi importants. Les systèmes de refroidissement intelligents intégrés aux véhicules électriques sont aussi efficaces que les capteurs qui les prennent en charge.

Spécifier les capteurs pour la chaîne de recharge des véhicules électriques

Un haut degré de précision est essentiel dans toute application de détection de température, mais il est particulièrement important dans la chaîne de recharge des véhicules électriques en raison de la fenêtre de température étroite qui permet aux batteries d'être chargées à leur vitesse maximale. Une faible précision du capteur peut réduire l’efficacité de la charge, car la charge peut devoir être ralentie pour compenser la marge d’erreur du capteur, même si les températures réelles se situent dans la plage souhaitée. Des capteurs de plus grande précision réduisent la mesure dans laquelle les systèmes du véhicule doivent tenir compte de l'imprécision des capteurs et peuvent permettre une charge plus rapide pendant des périodes plus longues.

Une autre caractéristique essentielle des capteurs de température pour véhicules électriques est le temps de réponse ou le temps entre le moment où la température est mesurée et le moment où elle est communiquée et peut faire l'objet d'une action. Différents types de capteurs ont des caractéristiques de réponse différentes et, au sein de chaque type, le temps de réponse peut être optimisé grâce à la configuration du capteur.

Par exemple, dans les thermistances à coefficient de température négatif (NTC), un corps métallique permet une réponse plus rapide qu'un corps en plastique en raison de sa conductivité améliorée ; cependant, le corps métallique augmente les coûts des capteurs et ces coûts doivent être mis en balance avec la valeur d'une réponse plus rapide dans une application particulière. Lorsque les températures ne sont pas si élevées ou sont gérées par un système de refroidissement, comme c'est le cas dans les composants clés de la chaîne de recharge des véhicules électriques, l'augmentation des coûts pour obtenir le temps de réponse le plus rapide possible peut ne pas être justifiée. L'exception est l'entrée de charge, où l'optimisation du temps de réponse doit être considérée comme une priorité plus élevée.

L'autre facteur à prendre en compte lors de la sélection du capteur est la facilité d'entretien, ou son absence. Les capteurs sont généralement intégrés à la chaîne de recharge des véhicules électriques de manière à rendre impossible leur remplacement en cas de panne. L'ensemble du composant devra être remplacé en cas de panne d'un capteur. Cela fait de la fiabilité l'attribut le plus important pour les capteurs de température utilisés tout au long de la chaîne de recharge des véhicules électriques.

Heureusement, même si les applications des capteurs de température sont différentes dans les véhicules électriques et dans les moteurs thermiques, les technologies de capteurs utilisées sont similaires. Les processus de fabrication de ces technologies sont matures et ont bénéficié d’une automatisation qui permet une qualité constante. Les processus de test et d'étalonnage sont également bien compris et peuvent contribuer à garantir une fiabilité et des performances prévisibles dans cette application.

Évaluation des technologies de capteurs pour la chaîne de recharge des véhicules électriques

Figure 2. L'emplacement des capteurs est particulièrement important dans les batteries de véhicules électriques, car les températures peuvent varier dans la batterie.

Trois technologies de détection de température sont généralement envisagées pour les véhicules électriques :les thermocouples, les thermistances NTC et les détecteurs de température à résistance (RTD).

Les thermocouples génèrent une petite tension en réponse à un changement de température proportionnel au changement de température. Ces capteurs sont généralement peu coûteux mais ne sont pas bien adaptés à la chaîne de recharge des VE. Ils peuvent présenter des risques pour la sécurité des ingénieurs de test dans des environnements à haute tension comme les batteries de véhicules électriques, leur précision peut être compromise par le bruit électrique et leur temps de réponse est plus lent que ce qui est généralement requis.

Dans une thermistance NTC, la résistance diminue à mesure que la température augmente. Cette technologie offre une bonne précision dans un format compact qui permet une intégration dans des espaces restreints. Le temps de réponse et la courbe résistance-température des thermistances NTC peuvent également être configurés pour répondre à un large éventail d'exigences d'application, y compris celles des différents composants de la chaîne de charge. Par conséquent, ils représentent une solution idéale pour ces applications car ils peuvent être configurés pour répondre efficacement aux exigences de conception et ont fait leurs preuves dans les applications automobiles depuis des décennies.

Dans un RTD, la résistance augmente à mesure que la température augmente. Ces capteurs offrent généralement une meilleure précision et ont une plage de fonctionnement plus large que les NTC ; cependant, ils sont également plus chers, et les avantages de cette technologie n’apportent généralement pas de valeur supplémentaire aux applications de chaîne de recharge pour véhicules électriques. Avec la pression constante de réduire les coûts, les concepteurs peuvent réaliser qu'ils atteignent les performances requises à moindre coût grâce aux thermistances NTC.

Concevoir avec précision et fiabilité

Alors que la charge rapide devient de plus en plus courante, une détection précise et fiable de la température tout au long de la chaîne de charge restera essentielle, même si les technologies des batteries évoluent. La clé d’une intégration efficace et rentable des capteurs de température dans de nouvelles conceptions est d’élaborer des spécifications et de choisir un fournisseur lors du développement du prototype. Cela permet de rationaliser les processus, de garantir que les capteurs répondent aux exigences des applications de manière rentable et d'atténuer le risque que des modifications soient nécessaires à mesure que la conception passe du prototype à la production.

Cet article a été rédigé par Phil Thibodeau, chef de produit, Transport, Sensience (Westerwille, OH). Pour plus d'informations, visitez ici  .